Dissipatore di calore in rame o alluminio?

Quale sarebbe un dissipatore di calore migliore da acquistare, rame o alluminio? Cosa fa il rame che l'alluminio non fa? So che è più costoso ed è più pesante, quindi qual è il vantaggio del rame?

EDIT: maggiori dettagli sull'applicazione. Ho bisogno di un dissipatore di calore per un modulo peltier TEG, il lato interessante. La fonte di energia è semplicemente il calore della tua mano, proveniente dal lato caldo. Per evitare che neutralizzi entrambi i lati del peltier, sto usando i dissipatori per raffreddare l'altro lato. Pertanto, ho bisogno del dissipatore di calore più potente disponibile in modo che il peltier produca tensione più a lungo.

Hai un sacco di buone informazioni dagli utenti sopra! Per favore, considera la mia risposta significativa e importante un po 'supplimentale ai consigli che hai già:

Il materiale dell'interfaccia termica (TIM) può importare tanto e facilmente anche più del materiale che scegli per il tuo dissipatore di calore! Lo dico per esperienza e per testare personalmente dozzine di tipi e varietà di materiali di interfaccia. Il budget, i metodi di collegamento e altri parametri di progettazione probabilmente restringeranno le tue scelte a un tipo specifico di TIM. Ad esempio: una pasta richiede che il dissipatore di calore sia fissato meccanicamente e un adesivo no. Alcuni materiali sono disordinati e difficili da usare, ma funzionano bene e alcune cose là fuori sono quasi inutili nelle sue prestazioni e possono o meno essere facili da usare.

Direi con molta fiducia che il TIM che usi può facilmente importare molto più che se usi rame o alluminio. Non in ogni caso, ma le differenze di prestazioni possono essere sorprendenti.

Cercare materiali popolari e ben recensiti per CPU / dissipatori di calore può darti alcune buone opzioni tra cui scegliere.

In bocca al lupo!

Il rame ha una migliore conduttività termica.

Alluminio - $\mathrm{ 200 \frac {W} {m\cdot K} }$
Rame -$\mathrm{ 400 \frac {W} {m\cdot K} }$
(daqui, anchequi)

Ma la conduttività termica all'interno del materiale solido è solo una parte della storia. Il resto della storia dipende da dove si vuole scaricare il calore.

Liquido di raffreddamento

Il dissipatore di rame (uno può anche chiamarlo blocco di trasferimento di calore) funzionerà meglio dell'alluminio.

Aria a convezione forzata

In altre parole, c'è un ventilatore che soffia sul dissipatore di calore. Il dissipatore di calore in rame funzionerà meglio dell'alluminio.

Aria con convezione naturale

Ho risparmiato meglio per ultimo. Sembra anche che sia il caso del PO.

Con convezione naturale , il dissipatore di rame eseguire solo marginalmente ¹ meglio (in ° C / W) rispetto all'alluminio. Questo perché il collo di bottiglia non è nel trasferimento con metallo. Quando hai aria con convezione naturale, il collo di bottiglia è nel trasferimento tra metallo e aria, ed è lo stesso per Al e Cu.

¹ _{Potrei aggiungere che l'aumento marginale spesso non vale il costo di Cu.}

Questa curva dimostra la relazione non lineare tra trasferimento di calore e conducibilità termica del materiale. La curva è generica. Si applica a qualsiasi applicazione avente componenti di conduzione e convezione per il trasferimento di calore totale. [Le radiazioni sono in genere piccole e vengono ignorate in questo calcolo.] La forma della curva è la stessa indipendentemente dall'applicazione. I valori quantitativi sugli assi non vengono visualizzati perché dipendono dalla potenza, dalle dimensioni della parte e dalle condizioni di raffreddamento convettivo. Si risolvono per qualsiasi data applicazione e insieme di condizioni. Dalla forma della curva è ovvio che il trasferimento di calore dipende dalla conducibilità termica del materiale, ma esiste anche un punto, un ginocchio nella curva, in cui l'aumento della conducibilità termica produce un miglioramento trascurabile nel trasferimento di calore .
( fonte , enfasi sulla mia NA)

$\mathrm{20 \frac {W} {m\cdot K} }$

E2 è la plastica ( fonte )

È una domanda complessa, con molti fattori. Diamo un'occhiata ad alcune proprietà fisiche:

• $\mathrm{W \over m\cdot K}$
  • rame: 400
  • alluminio: 235
• $\mathrm{J \over cm^3 \cdot K }$
  • rame: 3,45
  • alluminio: 2,42
• $\mathrm{g \over cm^3}$
  • rame: 8.96
  • alluminio: 2.7
• $\mathrm V$
  • rame: -0,35
  • alluminio: -0,95

Cosa significano queste proprietà? Per tutti i confronti che seguono, considera due materiali di geometria identica.

La maggiore conduttività termica del rame significa che la temperatura attraverso il dissipatore sarà più uniforme. Ciò può essere vantaggioso poiché le estremità del dissipatore di calore saranno più calde (e quindi irradiano più efficacemente) e il punto caldo attaccato al carico termico sarà più freddo.

La maggiore capacità termica volumetrica del rame significa che ci vorrà una maggiore quantità di energia per aumentare la temperatura del dissipatore di calore. Ciò significa che il rame è in grado di "livellare" il carico termico in modo più efficace. Ciò potrebbe comportare brevi periodi di carico termico con conseguente abbassamento della temperatura di picco.

La maggiore densità del rame lo rende più pesante, ovviamente.

Il diverso indice anodico dei materiali potrebbe rendere un materiale più favorevole se la corrosione galvanica è un problema. Ciò che è più favorevole dipenderà da quali altri metalli sono in contatto con il dissipatore di calore.

Sulla base di queste proprietà fisiche, il rame sembrerebbe avere prestazioni termiche superiori in ogni caso. Ma come si traduce in prestazioni reali? Dobbiamo tenere conto non solo del materiale del dissipatore di calore, ma di come questo materiale interagisce con l'ambiente circostante. L'interfaccia tra il dissipatore di calore e l'ambiente circostante (aria, di solito) è molto significativa. Inoltre, anche la particolare geometria del dissipatore di calore è significativa. Dobbiamo considerare tutte queste cose.

Uno studio di Michael Haskell, Confronto dell'impatto di diversi materiali del dissipatore di calore sulle prestazioni di raffreddamento ha eseguito alcuni test empirici e computazionali su dissipatori di calore in schiuma di alluminio, rame e grafite di identica geometria. Posso semplificare notevolmente i risultati: (e ignorerò il dissipatore di calore in schiuma di grafite)

Per la particolare geometria testata, l'alluminio e il rame hanno prestazioni molto simili, con il rame leggermente migliore. Per darvi un'idea, con un flusso d'aria di 1,5 m / s, la resistenza termica del rame dal riscaldatore all'aria era di 1.637 K / W, mentre l'alluminio era di 1.677. Questi numeri sono così vicini che sarebbe difficile giustificare il costo e il peso aggiuntivi del rame.

Man mano che il dissipatore di calore diventa grande rispetto alla cosa che viene raffreddata, il rame guadagna un vantaggio sull'alluminio grazie alla sua maggiore conduttività termica. Questo perché il rame è in grado di mantenere una distribuzione del calore più uniforme, estraendo il calore alle estremità in modo più efficace e utilizzando in modo più efficace l'intera area radiante. Lo stesso studio ha condotto uno studio computazionale per un dispositivo di raffreddamento della CPU di grandi dimensioni e ha calcolato resistenze termiche di 0,57 K / W per rame e 0,69 K / W per alluminio.

La conduttività termica del rame è quasi del 60% superiore a quella dell'alluminio. Ciò significa che un dissipatore di calore in rame sarà molto più efficace nella rimozione del calore rispetto a quello in alluminio.

La tua scelta è una questione di compromesso: i dissipatori di calore in alluminio sono più economici e più leggeri, e quindi sono la prima scelta per la progettazione generale. Tuttavia, dove è necessario rimuovere grandi quantità di calore in poco spazio, il rame potrebbe essere preferibile.

Tuttavia, non è possibile effettuare un confronto assoluto tra i due materiali senza conoscere l'applicazione specifica e gli altri vincoli del progetto specifico a cui deve essere adattato il dissipatore di calore.

Ci sono altri fattori da tenere a mente (incluso l'ambiente in cui il dissipatore di calore deve "vivere").

Il rame è in grado di condurre il calore meglio dell'alluminio, ma dovrebbe essere considerato l'accoppiamento termico tra fonte di calore e dissipatore di calore, e anche tra dissipatore di calore e "mondo esterno".

Ad esempio, il dissipatore di calore è accoppiato con aria libera attraverso piccole alette? O è accoppiato a una sorta di liquido di raffreddamento liquido che scorre in un tubo? La convezione è coinvolta nel processo di rimozione del calore o la radiazione di calore è il meccanismo principale (si pensi alle sonde spaziali, come un caso estremo). È probabile che l'ambiente causi corrosione (dispositivi sottomarini; dispositivi all'interno di un reattore chimico)? Alcune leghe sono più resistenti a determinati tipi di corrosione rispetto ad altre.

Il rame ha circa il 50% e raddoppia la conduttività termica dell'alluminio a seconda della lega, quindi per una data prestazione un dissipatore di calore in rame può essere "la metà" delle dimensioni di un alluminio.

Tuttavia, il rame è molto più costoso dell'alluminio e un po 'più difficile da fabbricare, quindi è più costoso da produrre. In alcuni casi, vale la pena pagare per le piccole dimensioni.